一種輔助WSN室內定位的測距系統(tǒng)設計?

羅 平 黃成兵 向昌成 羅南超

（阿壩師范學院 阿壩州 623002）

1 引言

隨著無線傳感器網(wǎng)絡問世以來，室內定位作為一個重要的發(fā)展方向了彌補室外定位的不足，常常用于大型倉庫、大型超市的物品定位；地震、火情等險情中的人員定位；協(xié)助危險環(huán)境時工作人員和同伴的定位，大大提高生活和工作的效率［1］，因此室內定位具有重要的實際意義［2］。

由于室外定位技術使用GPS、北斗導航、電信基站等技術手段的局限，很難完成室內定位。目前室內幾何數(shù)學定位算法主要依靠基于測距（Rang-base）和非測距（Rang-free）兩種傳播模型，其中基于測距的傳播模型主要包括：基于接收信號強度（Received Signal Strength Indicator，RSSI）［3～4］、基于到達時間（Time of Arrival，TOA）［5～7］，基于到達角度（Angle of Arrival，AOA）［8］，基于到達時間差（Time Difference of Arrival，TDOA）［9～11］4 種模型，其中TDOA傳播模型可以獲取很高精度的距離，適合于室內環(huán)境的高精度目標定位，因此本文設計了一種基于TDOA模型的測距系統(tǒng)以輔助無線傳感器網(wǎng)絡完成室內定位，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

2 測距系統(tǒng)應用介紹

如圖1所示，單層平面建筑環(huán)境下，定位系統(tǒng)中的節(jié)點分為3種：一種是定節(jié)點，一種是未知節(jié)點，一種是sink節(jié)點。任何兩個及以上定節(jié)點獲取到一個未知節(jié)點的距離，就可以使用三角定位、三邊定位、或者雙曲線定位等幾何定位算法實現(xiàn)定位。該測距系統(tǒng)的主要功能是完成節(jié)點間距離獲取，未知節(jié)點可以通過控制測距系統(tǒng)發(fā)送一組測距信號，定節(jié)點的測距系統(tǒng)通過測距信號中兩種不同信號的到達時間差計算出距離，定節(jié)點再通過CC2420組建的Zigebee網(wǎng)絡將距離信息傳送到定位系統(tǒng)中的sink節(jié)點以此實現(xiàn)室內定位。

圖1 TODA測距系統(tǒng)應用圖

2.1 測距系統(tǒng)結構

測距系統(tǒng)設計在Micaz節(jié)點上，如圖2虛線方框中所示，測距系統(tǒng)結構包括電源模塊、Atmega128單片機、超聲波接收模塊、超聲波發(fā)送模塊和RF射頻模塊。

圖2 TDOA測距系統(tǒng)結構圖

2.2 測距系統(tǒng)原理

測距原理如圖3所示。一組測距信號包括：一個ID信息的RF信號和超聲波信號（US）。定位系統(tǒng)中的節(jié)點通過Atmega128處理器調用測距系統(tǒng)發(fā)送測距信號：即同時發(fā)射一個帶ID信息RF信號和一個40KHz的超聲波信號，接收節(jié)點通過測距系統(tǒng)檢測這兩種信號，并計算兩種信號到達的時間差ΔT=T2-T1，并根據(jù)超聲波信號的傳播速度來計算與發(fā)射節(jié)點的距離，測距精度可達到毫米級［6-9］。

圖3 TDOA測距原理圖

2.3 距離計算公式

超聲波傳輸過程中，環(huán)境的溫度影響波速。當溫度在0℃～20℃范圍內時，波速為331.4 m/s～340 m/s，溫度每上升或者下降l℃，波速將增加或者減少約0.6 m/s，這個誤差對于要求較高精度的測量有很大影響。工業(yè)常用的聲速的公式：Vult≈331.05+0.61t（m/s），其中t為攝氏溫度。室內環(huán)境下，溫度t通常取20℃，則Vult≈343.25m/s。在公式中可以近似地認為

3 硬件電路設計

3.1 Atmega128單片機

Atmega128單片機是8位低功耗CMOS微處理器，主要完成控制發(fā)送測距信號、計算測距信號時間差、計算距離三大功能。

3.2 超聲波發(fā)射電路

如圖4所示，超聲波發(fā)射電路采用MAX232集成電平信號轉化器，可以有效實現(xiàn)Atmega128處理端控制信號的功率放大、濾波等工作，相比傳統(tǒng)的純電路超聲波放大電路具有高度集成和工作穩(wěn)定的特點。同時電路只需要4只0.1uF電荷泵電容即可構成整個超聲波發(fā)射電路。超聲波傳感器采用T/R40-24mm波束角±30°量程（5～8）m的超聲波探頭，可以滿足大多數(shù)室內空間。發(fā)射工作原理：Atmega128定時器控制I/O2和I/O3引腳交替產生8個周期為25us、占空比為50%的脈沖信號，通過Max232在T1OUT/T2OUT引腳上產生24Vpp激勵電壓作用于超聲波探頭，產生機械振動發(fā)射超聲波。通過I/O引腳1控制PNP三級管作為超聲波發(fā)射電路的開關，可以有效減短超聲波探頭工作時間，降低發(fā)射探頭對接受探頭的影響，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖4 超聲波發(fā)送電路

3.3 超聲波接收電路

如圖5所示，超聲波接收電路采用4路集成運算放大器為主要核心，通過外圍電阻、電容器件實現(xiàn)5級電路，完成信號濾波、功率放大、邏輯轉換等功能。

超聲波接收原理：超聲波探頭接收到40 KHz的超聲波信號時，機械振動產生感應毫伏級三角型波形信號Ui，此時Ui進入TL074四路運算放大器的第1級微分電路，該電路由4IN+、4IN-、47k電阻、10nF電容構成。該電路可以將微弱的Ui信號的幅值增大U0=-RC×d( )Ui-VT/dt倍。

圖5 超聲波接收電路

第2級微分電路：由TL074中3IN+、3IN-、160電阻、56k電阻、2個1nF電容等器件構成。當Ui從4OUT引腳輸出進入時，Ui信號再次放大倍，第2級微分電路中加入的1nf電容充當反饋電容，160歐姆電阻充當偏置電阻，可以有效地抑制Ui信號中高頻信號對放大電路的干擾，實現(xiàn)濾波功能。

第3級電路：由2IN+、2IN-、75k電阻組成電壓跟隨器，Ui信號通過10K電阻和1nf電容與電壓跟隨器的輸出端2OUT耦合，可以將Ui信號與VT端電壓疊加，產生幅值交大的波型。

第4級電路：由1IN+、1IN-、120k電阻、1k電阻、5v電壓構成電壓比較器，IN-端輸入電壓Uc與Ui信號比較，當Uc＞Ui時，1OUT引腳輸出高電平，當Uc＜Ui時，1OUT引腳輸出低電平。

第5級邏輯電路：由PNP三極管、3.9k和10k電阻構成，1OUT引腳的邏輯電平信號通過控制三級管的開關使得PC3引腳出現(xiàn)高低電平變化，提供給Atmega128處理器，而這個變化頻率等于1OUT引腳信號頻率，整個過程完成超聲波信號的檢測。

3.4 RF12B射頻模塊

圖6 RF12B的連接電路

RF12B射頻傳感器通過SPI接口與Atmega128單片機通信，連接方式如圖6所示。命令幀格式如圖6所示，通過SPI接口的SDI引腳向RF12B模塊寫命令幀：0xb8+ID，RF12B射頻模塊通過天線將自身ID值發(fā)送出去。數(shù)據(jù)接收原理：單片機通過SPI接口寫命令幀，0x80+0xd8到RF12B的寄存器中，RF射頻模塊自動調整到接收狀態(tài)，當檢測到信道上有RF信號時，通過nIRQ引腳產生一個低電平從P2引腳通知Atmega128處理器通過SPI接口的SDO引腳讀取RF12B數(shù)據(jù)緩存中接收到的數(shù)據(jù)。

4 軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計主要分為接收程序和發(fā)送程序。程序使用C語言編寫，軟件流程如圖7所示。本文設計的測距系統(tǒng)隨著Micaz節(jié)點的運行一直處于待機接收狀態(tài)，等待Micaz節(jié)點的調用命令，或者等待接收測距信號中的RF信號，當接收到RF信號時開始計時直到成功接收到超聲波信號，計算距離；若在固定時間內沒有接收到超聲波信號則放棄該次計時。在待機狀態(tài)過程中，接收到發(fā)送測距信號命令時，開始發(fā)送一組測距，信號發(fā)送完成后進入待接等待模式，等待接收RF信號或者調用命令信號。

圖7 軟件流程圖

5 系統(tǒng)測試結果

在20℃左右的室內環(huán)境下，探頭相對角度分別在 0°、15°、30°、45°、60°、90°6種不同情況下實驗2組，將測距系統(tǒng)的2個節(jié)點放置在精確刻度的標尺上，節(jié)點1不動，節(jié)點2移動，節(jié)點間距從0 cm開始每次遞增100 cm進行2組測試記錄平均值。測量的結果如表1所示，誤差分析如圖8所示。測試結果表明，該系統(tǒng)在0°角度下最大測量距離872cm；存在為2cm～6cm盲區(qū)；系統(tǒng)在200cm內無論0～90°變化基本毫米級的精度；200cm～900cm范圍內精度能夠保持在15cm以內，但系統(tǒng)隨著距離的增大，誤差呈現(xiàn)增大趨勢，主要因素有：1）超聲波在空氣中的損耗受溫度、濕度影響本系統(tǒng)沒有對這兩者補償；2）超聲波的損耗模型在空氣中傳輸距離越遠衰減越大，本系統(tǒng)沒有進行時間增益補償電路的設計；3）單片機每次接收和檢測信號時間存在差異，RF12B射頻模塊信號接收、傳輸存在時間差異。系統(tǒng)隨角度偏差越大，誤差呈現(xiàn)增大趨勢的主要因素：在系統(tǒng)設計時，選用超聲波傳感器具有60°的波束角，當探頭超過0°時，接收探頭的角度變化接收到的波形受到反射波干擾，響應接收探頭檢測，同時本系統(tǒng)設計的計算算法沒有補償不同波形周期的差異。當超過60°，系統(tǒng)基本不能測距。

表1 誤差分析表

圖8 測量誤差比較圖

6 結語

本系統(tǒng)與反射式超聲波測距系統(tǒng)比較，沒有使用反射原理，測距過程中超聲波不會受到回波干擾，提高了反射式超聲波測距的最大量程872m?？刂凭仍?.9%以內，最大有效廣角60°，完全滿足無線傳感網(wǎng)絡的室內高精度定位要求，本系統(tǒng)可以很好地解決節(jié)點間的測距問題，適用于無線傳感網(wǎng)絡的定位以及工業(yè)控制中。